[논문 리뷰] On the Capacity Region of Two-User Linear Deterministic Interference Channel and Its Application to Multi-Session Network Coding

Xiaoli Xu, Yong Zeng외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 09.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 임의의 채널 행렬 질량과 상관관계를 가진 두 사용자 MIMO 선형 결정론적 간섭채널의 용량 영역을 특성화하며, 선형 전처리와 한-코바야시 비율 분할이 전체 영역을 달성함을 보여준다. 이 결과는 중간 노드에서 무작위 선형 네트워크 코딩을 사용하는 듀얼 유니캐스트 네트워크에 적용되어 이전 방법보다 엄격히 더 넓은 구현 가능한 비율 영역을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper, we study the capacity of the two-user multiple-input multiple-output (MIMO) linear deterministic interference channel (IC), with possible correlations within/between the channel matrices. The capacity region is characterized in terms of the rank of the channel matrices. It is shown that \emph{linear precoding} with Han-Kobayashi type of rate-splitting, i.e., splitting the information-bearing symbols of each user into common and private parts, is sufficient to achieve all the rate pairs in the derived capacity region. The capacity result is applied to obtain an achievable rate region for the double-unicast networks with random network coding at the intermediate nodes, which can be modeled by the two-user MIMO linear deterministic IC studied. It is shown that the newly proposed achievable region is strictly larger than the existing regions in the literature.

연구 동기 및 목표

• 채널 행렬 조건이 일반적인 경우, 즉 질량이 떨어지거나 독립적이지 않은 경우에도 두 사용자 MIMO 선형 결정론적 간섭채널의 용량 영역을 특성화하는 것.
• 기존의 도파민도 및 용량 결과를 전적으로 질량이 있는 독립적인 채널을 가정하는 것에서 더 일반적인 설정으로 확장하는 것.
• 유도된 용량 영역을 활용하여 중간 노드에서 무작위 선형 네트워크 코딩을 사용하는 듀얼 유니캐스트 네트워크의 구현 가능한 비율 영역을 향상시키는 것.
• 기존 문헌의 방법보다 제안된 방법이 엄격히 더 넓은 비율 영역을 달성함을 보여주는 것.

제안 방법

• 전체 질량이나 독립성을 가정하지 않고, 채널 행렬의 질량에 따라 용량 영역을 특성화한다.
• 간섭을 관리하기 위해 무작위 확산과 제로포싱 전처리를 조합한 선형 전처리 방식을 제안한다.
• 한-코바야시 유형의 비율 분할을 통해 데이터 기호를 공통부분과 개인부분으로 분할함으로써 수신기에서 부분 간섭 제거가 가능해진다.
• 무작위 네트워크 코딩을 사용하는 듀얼 유니캐스트 네트워크의 입력-출력 모델을 두 사용자 MIMO 선형 결정론적 간섭채널 모델로 매핑한다.
• 변환된 네트워크 모델에 용량 결과를 적용하여 네트워크의 구현 가능한 비율 영역을 유도한다.
• 수학적 증명은 채널 행렬의 영공간과 행공간을 이용한 질량 기반 차원 분석 및 부분공간 분해에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 행렬이 질량이 떨어지거나 상관관계가 있을 경우, 두 사용자 MIMO 선형 결정론적 간섭채널의 용량 영역은 무엇인가?
• RQ2 일반적인 채널 조건 하에서 한-코바야시 비율 분할과 선형 전처리가 전체 용량 영역을 달성할 수 있는가?
• RQ3 간섭채널의 용량 결과는 어떻게 무작위 선형 네트워크 코딩을 사용하는 듀얼 유니캐스트 네트워크에서 구현 가능한 비율을 향상시키는 데 응용될 수 있는가?
• RQ4 듀얼 유니캐스트 네트워크의 결과로 유도된 구현 가능한 비율 영역은 기존 방법보다 엄격히 더 넓은가?
• RQ5 채널 행렬의 질량과 그 부분공간은 도파민도 및 용량 한계를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전체 질량이나 독립성을 요구하지 않고, 채널 행렬의 질량에 따라 두 사용자 MIMO 선형 결정론적 간섭채널의 용량 영역이 완전히 특성화된다.
• 공통 및 개인 스트림으로 데이터를 분할하는 한-코바야시 비율 분할과 선형 전처리를 조합한 방식이 전체 용량 영역을 달성한다.
• 제안된 방법은 채널 행렬이 상관관계가 있거나 질량이 떨어지는 경우에도 기존의 전적으로 질량이 있는 가정이 필요한 결과를 초월하여 용량 영역을 달성한다.
• 유도된 용량 결과는 무작위 선형 네트워크 코딩을 사용하는 듀얼 유니캐스트 네트워크에 대해 이전 영역보다 엄격히 더 넓은 새로운 구현 가능한 비율 영역을 가능하게 한다.
• 증명은 질량 기반 부분공간 분해 및 차원 분석에 기반하며, 제안된 방식 하에서 간섭 정렬과 전처리 제거가 충분함을 보여준다.
• 이 방법은 고신호대역비 영역에서 최적의 도파민도 및 용량을 달성하며, 정확한 영역은 신호 부분공간과 간섭 행렬의 영공간의 교차에 의해 결정된다.